自制實驗儀器演示渦流熱效應(yīng)現(xiàn)象

劉春慧+張洪明

摘 要：本文介紹了一個自制實驗來演示渦流的熱效應(yīng)現(xiàn)象，利用簡單的實驗器材產(chǎn)生高頻低壓振蕩電流，對線圈內(nèi)的被感應(yīng)金屬加熱，演示渦流的熱效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；渦流；自感；渦流熱效應(yīng)

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）6-0054-3

人教版教材物理選修3-2第4章第7節(jié)《渦流電磁阻尼電磁驅(qū)動》的第一部分渦流，教材上講解了渦流的防止和利用，可以利用渦流現(xiàn)象進行真空冶煉。這個實驗要求的條件在實際課堂教學(xué)中不容易達到。筆者通過研究制作出類似的實驗儀器，成功演示了渦流的熱效應(yīng)。方法介紹如下：

1 實驗器材

實驗所需要的器材如表1所示。

2 實驗原理

用舊電腦電源變壓器的一組輸出電源作為本實驗儀器的電源電壓。當(dāng)電源電壓作用于

+12 V，電流開始同時通過兩側(cè)的初級并施加到IRFP260的漏極（D）上。電壓會同時出現(xiàn)在IRFP260的門極（G）上并開始將IRFP260開啟。因為沒有任何兩個元件是完全一樣的，一個IRFP260比另一個開得快一些，更多的電流將流過這個IRFP260。通過導(dǎo)通側(cè)初級繞組的電流將另一側(cè)IRFP260的門極電壓拉低并開始關(guān)斷它。圖1中電容和初級的電感發(fā)生LC諧振并使電壓按正弦規(guī)律變化。如果沒有這個電容，通過IRFP260的電流會一直增大，IRFP260將被燒毀。

假設(shè)Q1首先開啟。當(dāng)Z點電壓跟著LC諧振的半個周期上升到峰值再回調(diào)時，Y點電壓會接近0。隨著Z點電壓下降到0，Q1的門極（G）電壓消失，Q1關(guān)閉。同時Q2開啟，此時Y點電壓開始上升。Q2的導(dǎo)通把Z點電壓拉低到接近地，這可以確保Q1完全關(guān)斷。Q2完成LC振蕩的半周后會重復(fù)同樣的過程，此振蕩器繼續(xù)循環(huán)工作。為了防止電路從電源拉取巨大的峰值電流而損壞，增加了160 μH電感和電源正極之間作為緩沖。LC阻抗限制著實際的電流（160 μH電感只是減少峰值電流，因為電感有續(xù)流作用）。

簡單說就是振蕩后升壓，利用二極管對兩個IRFP260的G極扯來扯去，一個升高另外一個被降低停止工作，再利用LC并聯(lián)振蕩電路產(chǎn)生正弦高頻電流在次級線圈可以對物體感應(yīng)加熱。

3 實驗制作

第1步：將一個IRFP260，10 kΩ電阻，接線端子插到PCB板子上；

第2步：對稱地在左邊也插上另一個IRFP260，

10 kΩ電阻；

第3步：在10 kΩ點擊下面插入兩個12 V穩(wěn)壓二極管（黑色環(huán)為二極管負極）；

第4步：在12 V穩(wěn)壓二極管下面對稱插入兩個470 Ω電阻；

第5步：在中間位置插入兩個快速恢復(fù)二極管（銀色環(huán)一端為二極管負極，黑色為正極）；

第6步：將兩個160 μH電感線圈對稱插入（電磁爐專用黃白電感）；

第7步：插入一個0.33 μF 1200 V電容（電磁爐諧振電容）；

第8步：在兩個IRFP260后面加上散熱片。

如圖2所示，在焊接的時候注意先構(gòu)思好每個元件在電路板上的位置，逐個先焊接到電路板上，最后在根據(jù)走線用焊錫覆蓋，由于實驗過程電流較大所以走線的焊錫要夠厚。

由于本實驗的特點是低電壓大電流，實驗室一般的常用電源在電流過大時會過流保護，所以本實驗使用電腦開關(guān)電源。各種顏色對應(yīng)的電壓為黃色：+12 V，土黃色+3.3 V，橙色+5 V，黑色（負極）接地線，綠色（和黑色短接即可重啟電源供電）開機信號線，藍色-12 V，白色-5 V，紫色+5 V。實驗時從黃色和黑色線取出直流電，電腦電源本身有過流保護，電源過流保護后在第二次使用時需要將綠色和黑色短接啟動電源。

4 實驗效果

接通電源將螺絲刀或者壁紙刀放入到線圈內(nèi)部不到一分鐘，就可以將金屬加熱得通紅，實驗效果如圖3所示。（精心操作，注意安全）

5 實驗優(yōu)點

（1）本實驗結(jié)構(gòu)簡單，電路圖容易理解，有很強的可操作性。

（2）本實驗體積小巧，整個裝置最大長度不超過15 cm，便于攜帶和儲藏。

（3）本實驗效果明顯，在不到一分鐘的時間內(nèi)就可以把螺絲刀加熱到通紅，視覺沖擊明顯。

（4）本實驗可視性強，將裝置放到投影儀下面

可以使所有學(xué)生都觀察到實驗現(xiàn)象。

（5）筆者研制實驗的過程中還參考了“淘寶網(wǎng)”上的資料（例如ZVS感應(yīng)加熱），并在網(wǎng)上購買了元件套件。筆者個人還主辦微信公眾號“趣味科學(xué)實驗qwkxsy”，并獲得課件評比全國二等獎。

參考文獻：

[1]張洪明.利用實驗解決高中物理教學(xué)難點分析[J].物理教學(xué)，2015（7）：25.

[2]張洪明.自制電動機[J].物理教學(xué)，2015（11）：78

[3]張洪明.利用智能手機做物理實驗[J].物理教學(xué)，2016（3）：30.（欄目編輯 王柏廬）